炭化ケイ素（SiC）セラミック低熱膨張係数、高熱伝導率、高硬度、優れた熱的・化学的安定性により、高温構造セラミックス分野の中核材料となっています。航空宇宙、原子力、軍事、半導体などの重要分野で広く使用されています。
しかし、SiCは非常に強い共有結合と低い拡散係数を有しており、緻密化が困難です。そのため、業界では様々な焼結技術が開発されており、異なる技術で製造されたSiCセラミックは、微細構造、特性、そして用途シナリオにおいて大きな違いがあります。ここでは、主流となっている5種類の炭化ケイ素セラミックのコア特性を分析します。
1. 非加圧焼結SiCセラミックス（S-SiC）
主な利点：複数の成形プロセスに適しており、コストが低く、形状やサイズの制限を受けないため、量産化が最も容易な焼結方法です。微量の酸素を含むβ-SiCにホウ素と炭素を添加し、不活性雰囲気下で約2000℃で焼結することで、理論密度98%の焼結体が得られます。焼結プロセスには固相焼結と液相焼結の2種類があり、前者は密度と純度が高く、熱伝導率と高温強度も優れています。
主な用途：耐摩耗性・耐腐食性シールリング、滑り軸受の大量生産。高硬度、低比重、優れた弾道性能により、車両や船舶の防弾装甲、民間金庫や現金輸送車両の防護などに広く使用されています。一般的なSiCセラミックスよりも優れた耐多撃性を備え、円筒形軽量防護装甲の破断点は65トン以上に達します。
2. 反応焼結SiCセラミックス（RB SiC）
主な利点：優れた機械的性能、高い強度、耐腐食性、耐酸化性。焼結温度とコストが低く、ほぼネットサイズの成形が可能。このプロセスでは、炭素源とSiC粉末を混合してビレットを製造します。高温下で溶融シリコンがビレットに浸透し、炭素と反応してβ-SiCを形成します。β-SiCは元のα-SiCと結合して気孔を埋めます。焼結中のサイズ変化が小さいため、複雑形状製品の工業生産に適しています。
主な用途: 高温窯設備、輻射管、熱交換器、脱硫ノズル。熱膨張係数が低く、弾性率が高く、ニアネット成形特性があるため、宇宙反射鏡の理想的な材料となっています。また、電子管や半導体チップ製造装置の支持固定具として石英ガラスの代わりに使用することもできます。
3. ホットプレス焼結SiCセラミックス（HP SiC）
主な利点：高温高圧下での同期焼結により、粉末は熱可塑性状態となり、物質移動プロセスを促進します。これにより、より低温・短時間で、微粒子、高密度、優れた機械的特性を備えた製品を製造でき、完全な密度とほぼ純粋な焼結状態を実現できます。
主な用途: もともとベトナム戦争中に米国のヘリコプター乗組員の防弾チョッキとして使用されていましたが、防具市場はホットプレス炭化ホウ素に取って代わられました。現在は、組成制御、純度、緻密化の要件が極めて高い分野や、耐摩耗性、原子力産業分野など、付加価値の高いシナリオで主に使用されています。
4. 再結晶SiCセラミックス（R-SiC）
コアとなる利点：焼結助剤を添加する必要がなく、超高純度・大型SiCデバイスの製造に広く用いられている方法です。このプロセスでは、粗SiC粉末と微SiC粉末を適切な割合で混合・成形し、不活性雰囲気下で2200～2450℃で焼結します。微SiC粒子は粗粒子同士の接触部分で蒸発・凝縮し、ダイヤモンドに次ぐ硬度を持つセラミックスを形成します。SiCは高い高温強度、耐腐食性、耐酸化性、耐熱衝撃性を備えています。
主な用途: 高温窯設備、熱交換器、燃焼ノズル。航空宇宙および軍事分野では、エンジン、尾翼、胴体などの宇宙船の構造部品の製造に使用され、機器の性能と耐用年数を向上させることができます。
5. シリコン含浸SiCセラミックス（SiSiC）
主な利点：焼結時間が短く、低温で、緻密かつ変形がなく、SiCマトリックスとSi相の浸透から構成され、液体浸透法とガス浸透法の2つのプロセスに分かれているため、工業生産に最適です。後者はコストは高くなりますが、遊離シリコンの密度と均一性が優れています。
主な用途：低多孔性、良好な気密性、低抵抗は静電気の除去に役立ち、大型、複雑、または中空の部品の製造に適しており、半導体処理装置で広く使用されています。高弾性率、軽量、高強度、優れた気密性により、航空宇宙分野で好まれる高性能材料であり、宇宙環境での負荷に耐え、装置の精度と安全性を確保できます。
投稿日時: 2025年9月2日